材料力学 交变应力与疲劳强度.ppt

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1、※疲劳问题的产生在第一次世界大战中，首次用于战争的飞机非战斗减员非常严重，究其原因是因机翼突然折断造成。设计中的强度足够啊？工程师们一筹莫展。折断一根铁丝的启示?飞机在天上高速飞行时，受湍流作用，机翼将做上下振动，机翼的根部会出现反复折弯……这是疲劳现象，今天我们将探讨这个问题…§8-1交变应力与疲劳破坏§8-3影响疲劳极限的主要因素第八章交变应力与疲劳强度§8-2材料的疲劳极限§8-4构件的疲劳强度计算§8–1交变应力与疲劳破坏一、交变应力(Alternatingstress)构件内一点处的应力随时间作周期

2、性变化,这种应力称为交变应力.AFtσ二、产生的原因例题1一简支梁,在梁中间部分固接一电动机,由于电动机的重力作用产生静弯曲变形,当电动机工作时,由于转子的偏心而引起离心惯性力.由于离心惯性力的垂直分量随时间作周期性的变化,梁产生交变应力.1、载荷做周期性变化ωt静平衡位置ωttstmaxmin例题2火车轮轴上的力来自车箱.大小,方向基本不变.即弯矩基本不变.PP横截面上A点到中性轴的距离却是随时间t变化的.假设轴以匀角速度转动.tzAA的弯曲正应力为是随时间t按正弦曲线变化的t123

3、41O2、载荷不变,构件点的位置随时间做周期性的变化三、疲劳破坏(fatiguefailure)材料在交变应力作用下的破坏,习惯上称为疲劳破坏（1）交变应力的破坏应力值一般低于静载荷作用下的强度极限值；（2）无论是脆性还是塑性材料,交变应力作用下均表现为脆性断裂,无明显塑性变形；（3）构件在交变应力作用下发生破坏需要经历一定数量的应力循环,其循环次数与应力的大小有关.应力愈大,循环次数愈少.1.疲劳破坏的特点裂纹缘光滑区粗糙区用手折断铁丝,弯折一次一般不断,但反复来回弯折多次后,铁丝就会发生裂断,这就是材

4、料受交变应力作用而破坏的例子.因疲劳破坏是在没有明显征兆的情况下突然发生的,极易造成严重事故.据统计,机械零件,尤其是高速运转的构件的破坏,大部分属于疲劳破坏.（4）断口表面可明显区分为光滑区与粗糙区两部分.（1）裂纹萌生在构件外形突变或材料内部缺陷等部位,都可能产生应力集中引起微观裂纹.分散的微观裂纹经过集结沟通,将形成宏观裂纹.（2）裂纹扩展已形成的宏观裂纹在交变应力下逐渐扩展.（3）构件断裂裂纹的扩展使构件截面逐渐削弱,削弱到一定极限时,构件便突然断裂.2、疲劳过程一般分三个阶段交变应力的疲劳破坏与静

5、应力下的破坏有很大差异,故表征材料抵抗交变应力破坏能力的强度指标也不同.下图为交变应力下具有代表性的正应力—时间曲线.Ot四、交变应力的基本参量一个应力循环应力每重复变化一次,称为一个应力循环。Ot在拉,压或弯曲交变应力下在扭转交变应力下maxmin最小应力和最大应力的比值称为循环特征，用r表示.1.应力循环(Stresscycle)2.循环特征3、应力幅(Stressamplitude)最大应力和最小应力的差值的的二分之一，称为交变应力的应力幅.用σa表示O一个应力循环tmaxminaa4

6、、平均应力（Meanstress)最大应力和最小应力代数和的一半,称为交变应力的平均应力用σm表示五、交变应力的分类1、对称循环(symmetricalreversedcycle)在交变应力下若最大应力与最小应力等值而反号.Omaxmintmin=-max或min=-maxr=-1时的交变应力，称为对称循环.（1）若非对称循环交变应力中的最小应力等于零（min）r=0的交变应力,称为脉动循环(fluctuatingcycle)交变应力时的交变应力,称为非对称循环交变应力.Omaxmin=0

7、t2.非对称循环(unsymmetricalreversedcycle)（2）r>0为同号应力循环;r<0为异号应力循环。（3）构件在静应力下,各点处的应力保持恒定，即max=min，若将静应力视作交变应力的一种特例,则其循环特征Omaxmin=0t任一非对称循环都可看作是，在静应力上叠加一个幅度为的对称循环。例8.1发动机连杆大头螺钉工作时最大拉力Pmax=58.3kN,最小拉力Pmin=55.8kN,螺纹内径为d=11.5mm,试求a、m和r.解：材料在交变应力作用下产生疲劳失效时所经历的

8、应力循环次数，记作N；材料在规定的应力循环次数N下，不发生疲劳失效的最大应力值，记作。§8–2材料疲劳极限疲劳寿命：与及r有关。疲劳极限或有限寿命持久极限：一、材料的疲劳极限（持久极限）交变应力材料在疲劳失效之前一定要经历一定次数的应力循环；最大工作应力越大，失效之前经历的循环次数越少；最大工作应力越小，失效之前经历的循环次数越多；最大工作应力的临界值，材料经历无数次应力循环仍不发生疲劳失效?材料经